Thread by @Mitokochan

Zdravím všechny fyzikální nadšence, je zde pátek a s ním další #fyzivlakno, jubilejní! 🥳
Zítra to totiž bude přesně rok od prvního vlákna! Nemůžu tomu uvěřit. ❤️ Dáme si tedy něco oslavnýho, populárního, co oběhlo přední stránky novin, abychom to oslavili: Muon g-2 experiment.

Ať už rozklikáváte tohle vlákno s tím, že máte povědomí o částicové fyzice, nebo naopak vůbec netušíte, o co se ksakru jedná, ale zajímá vás to, pak jsem tu pro vás. Na začátek vysvětlím kontext experimentu, co říká teorie a pak si povíme, co tedy bylo objeveno.

Začnu tím, že vám představím hlavního protagonistu dnešní story: mion. Je to těžší příbuzný elektronu, patří s ním do stejné rodiny částic, kterým se říká leptony. Je stejně jako elektron záporně nabitý a podobá se mu i v ostatních ohledech, jen je pořádně namakaný.

Váží totiž 200x víc, než elektron a proto, bohužel, dlouho nežije — má tendenci se po vzniku rychle rozpadnout. Naštěstí jeho doba života stačí k tomu, abychom jej zvládli v laboratoři studovat a zkoumat jeho vlastnosti. Pozn: v angličtině se mion píše muon, kdyby vás to mátlo.

To, jak se mion chová, jaké má vlastnosti a tak popisuje Standardní model částicové fyziky. Je to teorie, která popisuje veškerou hmotu ve vesmíru a všechny síly, kterými spolu hmota “komunikuje”. Až na jednu. Pokud čtete moje vlákna, pak víte, kam mířím.

Gravitace, jako jediná, není ve Standardním modelu zahrnutá. Má to svoje hluboké důvody, které by vystačily na 10 dílů vláken, co je však důležité je pouze a jen to, že z tohoto důvodu víme, že naše teorie nejsou kompletní, protože nepopisují všechno, co okolo nás vidíme.

Fyzici se proto snaží najít nějakou skulinku, nějaký nedostatek dnešních teorií, skrz který by hledaná teorie vykoukla na světlo světa. A nejlepší je, když se taková skulinka najde experimentálně, protože to jasně ukazuje, kde přesně máme mezeru v poznání.

Co tedy přesně Muon g-2 experiment ukázal? Ukázal na něco, co by možná mohla být ta dlouho hledaná skulinka a to totiž neshoda v hodnotě magnetického momentu mionu. Co to je magnetický moment?

Každá elektricky nabitá elementární částice má kvantový spin. O tom už jsem se párkrát rozepisovala — ve zkratce, spin se špatně popisuje, protože neexistuje podobný jev v našem makrosvětě. Každopádně platí, že nabité částice se spinem generují magnetické pole.

Zároveň má taková částice také tendenci srovnat svoji rotaci podél siločar magnetického pole, které se vyskytuje okolo něj. Síla toho, jak rychle se částice “nastaví” podél siločar vnějšího magnetického pole, je pak v kvantové fyzice dána něčím, co se jmenuje g faktor.

Je to jedna z věcí, kde kvantovka (konkrétně kvantová elektrodynamika) úspěšně předčila klasickou fyziku, protože v klasické teorii elektřiny a magnetismu se g faktor nevyskytuje. Nejen to, kvantovka i neskutečně přesně dovede tenhle g faktor vypočítat bez měření.

Pokud vás zajímá historie za výpočtem g faktoru a tyhle věci, doporučuju následující článek: symmetrymagazine.org/article/the-my…

Jak přesně tenhle výpočet probíhá? Probíhá tak, že si v teorii dáte dohromady všechny možnosti, jak spolu nabitá částice a částice v jejím okolí interagují. Zahrnutí všemožných interakcí vám pak dá tu skvělou přesnost a výjimečnou shodu s experimentem.

Hodnota g faktoru elektronu je dnes spočítána na přesnosti 15 desetinných čísel, což se podařilo mimojiné díky obrovským úspěchům ve výpočetní technice — dnes se těmito výpočty totiž zabývají superpočítače, protože člověk by to nedal.

Elektrony jsou tedy v pohodě, co se ale děje s miony? No, to právě nevíme, což je ten důvod, proč je okolo toho takové haló. Teoretici mají hodnotu g faktoru spočítanou, experimentátoři teď ale naměřili hodnotu, která se od té teoretické liší.

Možná jste taky postřehli číslo 4,2 sigma, což udává rozdíl naměřené hodnoty od teorie. Co to číslo znamená? Sigma je směrodatná odchylka. V nějakém souboru dat uvádí, jak moc se od sebe jednotlivé datové hodnoty liší.

V experimentu je vždy hodně prostoru pro různé chyby. Může vám selhat technika, může být sluneční bouře, může někdo zakašlat, když zrovna měříte a to vám do měření zanese nějakou chybu. Nejhorší jsou ale chyby, které vznikají náhodnými jevy.

Takové jevy nemůžete předvídat, ani je eliminovat a je úkolem fyzika, aby takové jevy zahrnul do svých výpočtů. Směrodatná odchylka nám pak říká, s jakou pravděpodobností je výsledek je souhra náhod, resp. souhra nějakých errorů.

Pro Muon g-2 je to nyní 4,2 sigma, což, přeloženo do lidského jazyka, odpovídá pravděpodobnosti 1/100 000, že je jejich výsledek jen souhra náhod. Abychom si byli jisti, potřebovali bychom rozdíl 5 sigma, což se pak považuje za legitimní.

Ne tedy, že by dosavadní výsledek legitimní nebyl, ale pořád je tu možnost, že je to celé jen falešný poplach. Experimentátoři momentálně pracují na tom, aby přesnost vylepšili.

Je však nutno podotknout, že celý hype je přestřelený a novinové titulky o tom, že fyzici objevili “známky páté interakce”... 😭
Neznamená to, že je to fake, jen prostě zatím neexistují dostatečné důkazy a je nutné, aby byly výsledky upřesněny, než dojdeme k takovým závěrům.

Pokud by vás tahle problematika zajímala víc, doporučím následující čtení: forbes.com/sites/startswi….

A než se s vámi dnes rozloučím, tak vám jen chci říct, jak hrozně vám všem děkuju za přízeň a nadšení, který mi projevujete a to dokonce už rok!
Když jsem loni z legrace začala něco psát na Twitter, nemyslela jsem si, že to bude někoho zajímat.

Jsem proto neskutečně překvapená, že vás to po tom roce pořád baví. Děkuju hrozně moc, jste nejlepší. Doufám, že se uvidíme u spousty dalších vláken. Napište mi, o čem byste rádi četli, co vás zajímá a pokud máte chuť, dejte mi RT. Těším se za týden! ❤️